EP4214816B1 - Verfahren und system zur analyse eines elektrischen energiespeichers sowie energieversorgungssystem - Google Patents

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EP4214816B1
EP4214816B1 EP22710004.7A EP22710004A EP4214816B1 EP 4214816 B1 EP4214816 B1 EP 4214816B1 EP 22710004 A EP22710004 A EP 22710004A EP 4214816 B1 EP4214816 B1 EP 4214816B1
Authority
EP
European Patent Office
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energy
storage device
energy storage
parameter
electrical
Prior art date
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Active
Application number
EP22710004.7A
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English (en)
French (fr)
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EP4214816A1 (de
EP4214816C0 (de
Inventor
Florian Guschlbauer
Hannes Heigl
Johannes Mühlegger
Dominik Pfaffenbichler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fronius International GmbH
Original Assignee
Fronius International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Fronius International GmbH filed Critical Fronius International GmbH
Publication of EP4214816A1 publication Critical patent/EP4214816A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4214816B1 publication Critical patent/EP4214816B1/de
Publication of EP4214816C0 publication Critical patent/EP4214816C0/de
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R22/00—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/10—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods using digital techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/80—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries including monitoring or indicating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for analyzing an electrical energy storage device, in particular an accumulator or a battery, wherein the energy storage device is electrically connected to at least one consumer and at least one electrical energy source in an electrical energy supply system.
  • the invention relates to an electrical system for analyzing an electrical energy storage device and an electrical energy supply system with such an analysis system.
  • Electrical energy supply systems for example for households or commercial enterprises, usually consist of several components, including an electrical energy storage unit, an inverter and a control unit for dividing the load flows ("energy management unit").
  • energy sources such as photovoltaic systems can also be integrated into the energy supply system.
  • energy supply systems usually only use components from the same manufacturer because they are coordinated and compatible with one another. However, it is also possible in principle and in some cases even desirable to combine components from different manufacturers in one energy supply system. However, some components of energy supply systems require data exchange with other components of the energy supply system in order to function correctly.
  • the control unit should be able to query a current charge level and other parameters of the energy storage unit so that the control unit can adapt the load flows in the energy supply system to the operating state of the energy storage unit or the energy storage unit can be integrated into an existing energy concept or energy management.
  • many components for energy supply systems only allow data exchange with components from the same manufacturer. Data exchange between components from different manufacturers is often not possible at all or only possible with additional effort.
  • it would be desirable if other components of an energy supply system could gain knowledge of the operating status of an energy storage device without having to exchange data with the energy storage device. In this way, an energy storage device from one manufacturer could be easily integrated into an energy supply system with components from another manufacturer without affecting the functionality of the energy supply system.
  • CN 112269136 A and CN 112218057 A reveal the determination of parameters of energy storage devices using measured physical quantities such as current and voltage. The measured quantities are fed into a mathematical model and parameters of the energy storage device are determined from this.
  • US 2014/0184165 A1 discloses a circuit arrangement in which the charge state of a battery can be determined using a charge counter.
  • US 2004/0232884 A1 concerns a self-diagnosis system for an energy storage device. The capacity of the energy storage device is determined.
  • the object of the present invention to alleviate the disadvantages of the prior art or even to eliminate them entirely.
  • an energy flow into or out of the energy storage device is measured and at least one parameter of the energy storage device is determined iteratively on the basis of recorded values of the measured energy flow.
  • the method according to the invention no longer requires data exchange with the energy storage device or its control unit in order to obtain information about the state of charge or the usable capacity of the energy storage device, for example.
  • the value of the at least one parameter determined using the method can be unknown before the start of the method.
  • the electrical energy flow into or out of the energy storage device is measured, stored and evaluated. At least the measured values of current and voltage can serve as the basis for measuring the energy flow.
  • the energy flow can be measured, for example, using one or more wattmeters or one or more smart meters.
  • the energy flow is a power quantity and has the unit energy per time, in particular watts or joules per second.
  • at least one parameter of the energy storage device can be determined, which in particular was previously unknown or to which there was no access for the reasons explained above.
  • the energy storage device can be controlled more efficiently and, for example, better integrated into an existing energy concept.
  • the application of the method is particularly advantageous if an energy storage device from another manufacturer is to be integrated into an energy supply system with components from another manufacturer.
  • the measured energy flow represents - depending on the direction - a snapshot of the power consumption or power output of the energy storage device at any time.
  • the at least one parameter of the energy storage device can be determined and be continuously adjusted.
  • the measured values of the energy flow can be recorded and stored over a period of time, for example at least one or more hours.
  • a connected load can also be activated or deactivated in order to "stimulate" the energy storage device to charge or discharge.
  • the at least one parameter can then be determined after the learning phase on the basis of the stored values.
  • the at least one parameter can of course also be continuously adjusted or re-determined after the learning phase has ended on the basis of further measured values of the energy flow.
  • the constant determination of the energy flow can be carried out in a time-discrete manner, i.e. at regular or irregular intervals. From the measured values of the energy flow, a temporal course, also referred to as energy course, of the energy flowing into the energy storage device and taken from the energy storage device can be determined.
  • the energy course can be determined from the energy flow in particular by integrating it over time.
  • the energy profile is preferably stored so that a corresponding value of the energy is available at any time in the past.
  • the at least one parameter can be determined on the basis of this temporal profile.
  • the at least one parameter can be, for example, an energy currently contained in the energy storage device, a currently at least available capacity of the energy storage device, in particular a currently at least available charging or discharging capacity, a usable capacity of the energy storage device, a charge state of the energy storage device, an intrinsic consumption of the energy storage device, a charging and discharging loss of the energy storage device, an efficiency, an energy storage model parameter or a parameter of a charging or discharging characteristic of the energy storage device.
  • Charging or discharging characteristics include, among other things, the charging power and the discharging power.
  • the currently available minimum capacity of the energy storage device is an amount of energy that is at least available for charging or discharging purposes of the energy storage device at a certain point in time.
  • the minimum available capacity can therefore, depending on the application, be an amount of energy that can at least be loaded into the energy storage device or removed from it.
  • the minimum available capacity can therefore be a charging capacity or a discharging capacity of the energy storage device.
  • the usable capacity of an energy storage device is the maximum amount of energy in an energy storage device that can actually be used for charging and discharging purposes.
  • the usable capacity is usually less than the nominal capacity of the energy storage device, since not the entire nominal capacity of an energy storage device can be used.
  • the usable capacity corresponds to the sum of the charging capacity and the discharging capacity.
  • the state of charge of the energy storage device also known as SoC ("State of Charge")
  • SoC State of Charge
  • the at least one parameter that is determined does not have to be constant over time, but can also vary, such as the state of charge.
  • the at least one parameter is therefore determined iteratively. Iterative means that the at least one parameter is continuously re-determined or adjusted based on previously recorded and newly measured values of the energy flow. For example, it can be provided that after each new measurement of the energy flow, the at least one parameter is adjusted or re-determined.
  • the measurements can be carried out at discrete times, for example every 1 to 10 seconds. Of course, shorter or longer intervals are also possible.
  • the value of the parameter determined by the method can be approximated to the actual value of the parameter over time.
  • the energy storage device can consist of several cells or sub-energy storage devices and, for example, also have an integrated inverter.
  • a useful capacity of the energy storage device is determined as a parameter on the basis of recorded values of the energy flow.
  • a temporal progression of the energy flowing into the energy storage device and determined from the energy taken from the energy storage device for example by integrating the energy flow over time.
  • this temporal progression can also be referred to as the energy progression.
  • a preferably global minimum and a preferably global maximum can be determined from the energy progression.
  • the usable capacity of the energy storage device can be determined by forming the difference between the preferably global maximum and the preferably global minimum. The maxima and minima of the energy progression can change over time.
  • a learning phase can preferably be provided in which the energy flow into or out of the energy storage device is recorded.
  • the learning phase can, for example, be carried out for a fixed period of time.
  • the learning phase can also last until the global maximum and the global minimum of the energy progression no longer change for a given observation period.
  • the global maximum and the global minimum are continuously adjusted during the learning phase. Initially, the (only) maximum corresponds to the global maximum.
  • an energy currently contained in the energy storage device is determined on the basis of recorded values of the energy flow as a parameter.
  • the energy currently contained in the energy storage device can, like the energy curve in general, be determined, for example, by temporal integration of the measured energy flow into or out of the energy storage device. It goes without saying that the integration requires an initial value, which can initially be zero, for example.
  • this embodiment can be used to determine the energy profile, i.e. the time profile of the energy flowing into and taken from the energy storage device.
  • a temporal end point of this energy profile represents the energy currently available in the energy storage device, with the end point constantly changing and progressing over time due to newly measured values of the energy flow.
  • At least a usable capacity and an energy currently contained in the energy storage device are determined.
  • a current charge state of the energy storage device is determined on the basis of the energy currently contained in the energy storage device and the usable capacity of the energy storage device.
  • the current charge state of the energy storage device can be determined by setting the energy currently contained in the energy storage device in relation to the usable capacity.
  • a currently minimum available capacity of the energy storage device is determined on the basis of recorded values of the energy flow as a parameter.
  • the minimum available capacity can be a minimum available charging capacity or a minimum available discharging capacity.
  • a preferably global minimum and/or a preferably global maximum can be determined from the energy curve described above.
  • a difference between the preferably global minimum and the energy currently contained in the energy storage device represents a currently minimum available discharging capacity of the energy storage device.
  • a difference between the preferably global maximum and the energy currently contained in the energy storage device represents a currently minimum available charging capacity of the energy storage device.
  • a discharging capacity refers to an amount of energy that is available to the energy storage device. can be removed.
  • a charging capacity refers to the amount of energy that can be loaded into the energy storage device.
  • an electrical current into and out of the energy storage device and an electrical voltage at the energy storage device are preferably measured.
  • the product of the measured current and the measured voltage at a specific point in time gives the energy flow at that point in time.
  • the direction of the current determines the direction of the energy flow.
  • the at least one energy source for example a photovoltaic system or a supply network, feeds electrical energy into the energy storage device depending on the at least one parameter.
  • the at least one parameter can be, for example, a state of charge or a currently available minimum charging or discharging capacity of the energy storage device. If, for example, sufficient charging capacity is available, the energy source can charge electrical energy into the energy storage device. There can also be several energy sources.
  • the at least one energy source is an electrical supply network, in particular an alternating current network, or a photovoltaic system.
  • an energy flow into or out of the at least one energy source can also be measured and used, for example, to determine the at least one parameter of the energy storage device.
  • the measurement at the energy source can be carried out by a further measuring unit, for example a smart meter.
  • a further measuring unit for example a smart meter.
  • the energy flow is measured at a feed-in point of the energy source, in particular at a feed-in point of the supply network or the photovoltaic system. If several energy sources are present, it can be provided that the energy flow into or out of all energy sources is measured.
  • the energy storage device becomes active and thereby absorbs energy or
  • One possible condition under which the energy storage unit absorbs energy can be, for example, if there is excess energy or excess power at the feed-in point(s) of the energy source(s), which is absorbed by the energy storage unit. The point in time at which all known components of the system are supplied and excess energy is available to feed into the grid is therefore detected. If this excess energy is now measured by the other measuring unit, the energy storage unit is active from this point onwards and absorbs the excess energy. Knowledge of the conditions under which the energy storage unit becomes active subsequently enables or facilitates the control of the energy storage unit.
  • Fig. 1A and Fig. 1B show examples of different variants of an energy supply system 1 with an electrical energy storage device 2, an inverter 3, a consumer 4, a first energy source 5 in the form of a three-phase alternating current network 6 and a second energy source 5 in the form of a photovoltaic system 7, which are electrically connected to one another accordingly.
  • the energy storage device 2 can have, for example, a control system, a management system and a converter unit 3' within its housing.
  • an electrical energy flow F into or out of the electrical energy storage device 2 can be measured directly or indirectly.
  • the at least one Measuring unit 8 measures a voltage U and/or a current I. From this, the electrical power or the energy flow F into or out of the energy storage device 2 can then be determined. If necessary, only the current I can be measured if the voltage U can be assumed to be constant. The product of the voltage U and the current I results in the energy flow F or the power or a value representative thereof, whereby the direction of the current I specifies the direction of the energy flow F.
  • two measuring units 8 are provided.
  • One measuring unit 8 is provided near the energy storage device 2 and a further measuring unit 8 is provided at a feed-in point 20. However, only at least one measuring unit 8 is required for the method, with which the energy flow F into or out of the energy storage device 2 can be determined. More measuring units 8 than those shown can also be provided. No consumers are arranged between the measuring unit 8 near the energy storage device 2 and the energy storage device 2. The measuring unit 8 near the energy storage device 2 can also be integrated into the energy storage device 2 or its housing. The measured values of the energy flow F can be made available by the measuring units 8 to an evaluation unit 10, for example via radio or cable, possibly via a server. The evaluation unit 10 can be spatially separated from the measuring units 8. At least one measuring unit 8 and the evaluation unit 10 form a minimal configuration of an analysis system 21 for carrying out the method according to the invention.
  • the measured values of the measuring unit 8 at the feed-in point 20 can be transmitted to the evaluation unit 10 in the same way as the measured values measured by the measuring unit 8 near the energy storage device 2 and taken into account in the method according to the invention.
  • the measuring unit 8 at the feed-in point 20 it can be determined, for example, under which conditions the energy storage device 2 becomes active at the feed-in point 20, i.e. absorbs or releases energy E. For example, this can be the case if there is excess energy at the feed-in point 20.
  • the energy supply system 1 can be controlled more efficiently or the energy storage device 2 can be integrated into an energy management concept.
  • Fig. 1A and Fig. 1B show different variants of an energy supply system 1.
  • a converter unit 3' for example a bidirectional DC/DC converter, is preferably integrated in the energy storage device 2 or in its housing.
  • AC Alternating Current
  • a converter unit 3' in the form of an inverter can be integrated in the energy storage device 2 or its housing in order to charge or discharge the energy storage device 2 with direct current.
  • the measuring unit 8 in front of the energy storage device 2 can be omitted if the converter unit 3' provides an interface which provides the measured values of voltage U and current I.
  • parameters P of the energy storage device 2 such as a usable capacity C usable or a state of charge Q SOC , are made available by the energy storage device 2 via a data interface.
  • data exchange is usually only possible between components from the same manufacturer.
  • the energy storage device 2 comes from a different manufacturer than the other components of the energy supply system 1, then the parameters P of the energy storage device 2 can only be read out with difficulty or not at all.
  • the invention provides that the energy flow F into or out of the energy storage device 2 is measured and at least one parameter P of the energy storage device 2 is determined iteratively on the basis of recorded values of the measured energy flow F. Iterative means that the at least one parameter P is continuously re-determined or adjusted. is determined based on previously recorded and newly measured values of the energy flow F.
  • parameters P can also be determined. Examples of parameters P are the state of charge Q SOC , a useful capacity C us or a minimum available capacity C of the energy storage device 2. Another example of the parameter P is the efficiency.
  • the minimum available capacity C can be a currently minimum available charging capacity C charge or a currently minimum available discharging capacity C discharge .
  • Fig. 1A and Fig. 1B For the sake of clarity, only C discharge is shown as the minimum available capacity C. But C charge also represents a minimum available capacity C. The sum of the currently minimum available charging capacity C charge and the currently minimum available discharging capacity C discharge results in the usable capacity C use .
  • a discharging capacity C discharge refers to an amount of energy that can be taken from the energy storage device 2.
  • a charging capacity C charge refers to an amount of energy that can be loaded into the energy storage device 2. The following describes how the parameters P of the energy storage device 2 can be determined.
  • a temporal progression of the energy E flowing into the energy storage device 2 and taken from the energy storage device 2 can be determined by temporal integration.
  • the progression of the energy E can also be referred to as the temporal energy progression 11.
  • the energy progression 11 represents the energy E currently contained in the energy storage device 2 at any time.
  • An example energy progression 11 is shown in Fig. 2 shown. It can be seen that energy E is taken from and supplied to the energy storage device 2 over time t.
  • the measurement of the energy flow F is carried out continuously and in a time-discrete manner. If the measurement detects an activity (i.e. the energy storage device 2 is active) in the energy flow F, the recording or transmission of the data to the evaluation unit 10 begins at a starting time 12.
  • the energy flow F is then measured and recorded, for example as part of an initial learning phase.
  • the energy curve 11 can be continued by further measurements of the energy flow F.
  • the following parameters P can be determined on the basis of the energy flow F or from the energy curve 11:
  • a current useful capacity C useful of the energy storage device 2 can be determined by taking the difference between the global maximum 13 and the global minimum 14 of the energy curve 11. By measuring the energy flow F over a longer period of time, the current useful capacity C useful can be approximated to the actual useful capacity of the energy storage device 2.
  • the efficiency of the energy supply system 1 or the energy storage system 2 can also be determined from the global maximum 13 and the global minimum 14, based on the data from the measuring unit 8. This results in an initial value for the efficiency in the first step.
  • Time analyses can be used to determine whether a new global maximum 13 or global minimum 14 is constantly occurring. The time analysis can be carried out, for example, by approximating it using a straight line. If the analysis of the linear trend, i.e. the straight line, does not show an incline, the efficiency has been correctly determined. If the trend is an incline in a positive or negative direction, the efficiency has not been correctly determined. The efficiency is corrected. If a new global minimum 14 is constantly occurring, the previous value for the efficiency was too low, i.e.
  • the battery is more efficient than initially assumed.
  • the value for the efficiency is corrected accordingly, i.e. increased, so that the value is again between 0% and 100%.
  • a new global maximum of 13 is constantly reached, this suggests that the previous value for the efficiency was too high, the battery is actually less efficient and more energy is lost during storage until the battery is actually full.
  • the efficiency must be corrected downwards so that the value is again between 0% and 100%.
  • the efficiency can also be determined if it is known that the external battery, ie the energy storage unit 2, can be controlled by excess at the feed-in point (external battery regulates to zero feed-in). Then, through deliberate surplus generation and load generation (setting on a known 2nd home storage unit using energy management), the external battery, i.e. the energy storage unit 2, can be brought to complete charge and discharge. From this, an efficiency can be calculated as a parameter.
  • Fig. 2 only a section of an energy curve 11 is shown.
  • the energy curve 11 can be continued as already mentioned.
  • a new global maximum 13 or global minimum 14 of the energy curve 11 can also occur under certain circumstances.
  • any change in the global maximum 13 or the global minimum 14 is recorded and the current useful capacity C useful is adjusted or re-determined.
  • the energy curve 11 represents the energy E contained in the energy storage device 2 at any given time. In order to determine the energy E contained in the energy storage device 2 at the moment, i.e. at the current end point 15, the end point 15 and the global minimum 14 of the energy curve 11 can be used.
  • a minimum available capacity C can also be determined from the energy curve 11.
  • the minimum available capacity C can be a currently minimum available charging capacity C charge or a currently minimum available discharging capacity C discharge .
  • the minimum available discharging capacity C discharge is an amount of energy that can at least be withdrawn from the energy storage device 2.
  • the minimum available discharging capacity C discharge can correspond to the energy E. However, if not all of the energy E can or should be withdrawn from the energy storage device 2, the energy E and the minimum available discharging capacity C discharge can differ from one another.
  • a currently minimum available charging capacity C charge of the energy storage device 2 can be determined.
  • the minimum available charging capacity C charge is an amount of energy that can be charged into the energy storage device 2.
  • a current state of charge Q SOC of the energy storage device 2 can be determined as a parameter at any time t.
  • a ratio of the energy E currently contained in the energy storage device 2 to the useful capacity C useful can be formed and this ratio can be expressed, for example, in percent.
  • the useful capacity C useful of the energy storage device 2 can also contain an energy reserve for emergency power operation.
  • the energy reserve is a part of the minimum available discharge capacity C discharge that can be used in emergency power operation.
  • Fig. 3 is an example flow chart for the method in question, which is carried out in the evaluation unit 10.
  • the at least one parameter P of the energy storage device is determined by executing steps 101 to 108. Steps 101 to 108 are carried out iteratively. The process is started in step 101. Measured values are made available by constantly determining the energy flow F. In step 102, the measured values are used to determine whether the energy storage device 2 is being charged or discharged and is therefore active. If the energy storage device 2 is inactive, the system first waits (step 103) until the energy storage device 2 is active. If the energy storage device 2 is active, it is determined in step 104 whether the energy storage device 2 is being charged. If this is not the case, it is determined whether the energy storage device 2 is being discharged (step 105).
  • the measured energy flow F is recorded in step 106 and cyclically stored together with a time stamp (represented by block 107, which represents a data storage device).
  • a time stamp represented by block 107, which represents a data storage device.
  • the at least one parameter P of the energy storage device 2 is determined as described above. The process then starts again from the beginning at step 101 in order to keep the at least one parameter P of the energy storage device 2 up to date. Based on this stored energy flow, a representation according to Fig. 2 are produced.
  • only measured values of the energy flow are stored or used to determine at least one parameter when the energy storage device 2 is active. This means that there is no difference in the evaluation or in the representation (cf. Fig. 2 ) no or only short constant lines of energy E, so that a meaningful representation with rising and falling lines results.
  • An energy flow F from one or more energy sources 5 can also be taken into account.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators oder einer Batterie, wobei der Energiespeicher in einem elektrischen Energieversorgungssystem mit zumindest einem Verbraucher und zumindest einer elektrischen Energiequelle elektrisch verbunden ist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein elektrisches System zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers und ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem solchen Analysesystem.
  • Elektrische Energieversorgungssysteme, beispielsweise für Haushalte oder Gewerbebetriebe, bestehen in der Regel aus mehreren Komponenten, unter anderem einem elektrischen Energiespeicher, einem Wechselrichter und einer Steuerungseinheit zur Aufteilung der Lastflüsse ("Energiemanagementeinheit"). Zusätzlich können auch noch Energiequellen, wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen, in das Energieversorgungssystem eingebunden sein. Auf dem Markt existiert eine Vielzahl von Herstellern von Komponenten für Energieversorgungssysteme. Meist werden bei Energieversorgungssystemen ausschließlich Komponenten des gleichen Herstellers eingesetzt, da diese aufeinander abgestimmt und miteinander kompatibel sind. Es ist aber auch prinzipiell möglich und in manchen Fällen sogar wünschenswert, in einem Energieversorgungssystem Komponenten von unterschiedlichen Herstellern miteinander zu kombinieren. Manche Komponenten von Energieversorgungssystemen benötigen jedoch zur korrekten Funktionsweise einen Datenaustausch mit anderen Komponenten des Energieversorgungssystems. Beispielsweise soll die Steuerungseinheit einen momentanen Ladezustand und andere Parameter des Energiespeichers abfragen können, sodass die Steuerungseinheit die Lastflüsse im Energieversorgungssystem an den Betriebszustand des Energiespeichers anpassen kann bzw. der Energiespeicher in ein bestehendes Energiekonzept bzw. Energiemanagement eingebunden werden kann. Viele Komponenten für Energieversorgungssysteme erlauben jedoch nur einen Datenaustausch mit Komponenten des gleichen Herstellers. Ein Datenaustausch zwischen Komponenten verschiedener Hersteller ist oft gar nicht oder nur mit zusätzlichem Aufwand möglich. Es wäre jedoch wünschenswert, in einem Energieversorgungssystem Komponenten verschiedenster Hersteller ohne zusätzlichen Aufwand und ohne Einschränkung der Funktionsweise kombinieren zu können. Insbesondere wäre es wünschenswert, wenn andere Komponenten eines Energieversorgungssystems Kenntnis über den Betriebszustand eines Energiespeichers erlangen könnten, ohne dass ein Datenaustausch mit dem Energiespeicher stattfinden muss. Auf diese Weise könnte ein Energiespeicher eines Herstellers in ein Energieversorgungssystem mit Komponenten eines anderen Herstellers auf einfache Weise integriert werden, ohne dass die Funktionsweise des Energieversorgungssystems beeinträchtigt würde.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der WO 2018/104948 A1 und der US 2019/0056451 A1 , sind Energiespeicher bzw. Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Energiespeichern bekannt.
  • CN 112269136 A und CN 112218057 A offenbaren die Bestimmung von Parametern von Energiespeichern unter Verwendung von gemessenen physikalischen Größen wie Strom und Spannung. Die gemessenen Größen werden einem mathematischen Modell zugeführt und daraus Parameter des Energiespeichers bestimmt.
  • US 2014/0184165 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung, bei der der Ladungszustand einer Batterie mithilfe eines Ladungszählers bestimmt werden kann.
  • US 2004/0232884 A1 betrifft ein Selbstdiagnosesystem für einen Energiespeicher. Dabei wird die Kapazität des Energiespeichers bestimmt.
  • Im Lichte der obigen Ausführungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu lindern oder gar gänzlich zu beseitigen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Analyse eines Energiespeichers zur Verfügung zu stellen, mit denen zumindest ein Parameter eines in ein Energieversorgungssystem integrierten Energiespeichers bestimmt werden kann, ohne dass ein Datenaustausch mit dem Energiespeicher erforderlich ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe zunächst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
  • Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art vorgesehen, dass ein Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher gemessen wird und iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen Energieflusses zumindest ein Parameter des Energiespeichers bestimmt wird. Vorteilhafterweise ist durch das erfindungsgemäße Verfahren kein Datenaustausch mit dem Energiespeicher bzw. dessen Steuerungseinheit mehr notwendig, um zum Beispiel Informationen über den Ladezustand oder die Nutzkapazität des Energiespeichers zu erlangen. Der Wert des zumindest einen mit dem Verfahren bestimmten Parameters kann vor Beginn des Verfahrens unbekannt sein. Zur Bestimmung des zumindest einen Parameters des Energiespeichers wird der elektrische Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher gemessen, gespeichert und ausgewertet. Als Basis zur Messung des Energieflusses können zumindest die Messwerte von Strom und Spannung dienen. Die Messung des Energieflusses kann beispielsweise durch ein oder mehrere Wattmeter oder ein oder mehrere Smart Meter erfolgen. Der Energiefluss ist eine Leistungsgröße und besitzt die Einheit Energie pro Zeit, insbesondere Watt oder Joule pro Sekunde. Auf Basis des Energieflusses in oder aus dem Energiespeicher kann zumindest ein Parameter des Energiespeichers bestimmt werden, der insbesondere zuvor unbekannt war oder auf welchen aus den oben erläuterten Gründen kein Zugriff bestand. Durch Kenntnis des zumindest einen Parameters kann der Energiespeicher effizienter gesteuert und beispielsweise besser in ein bestehendes Energiekonzept eingebunden werden. Die Anwendung des Verfahrens ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein fremder Energiespeicher eines Herstellers in ein Energieversorgungssystem mit Komponenten eines anderen Herstellers integriert werden soll. Wie eingangs ausgeführt, ist in solchen Fällen meist kein Zugriff auf die Parameter des Energiespeichers möglich, da viele Energiespeicher keinen Datenaustausch mit Komponenten anderer Hersteller erlauben. Der gemessene Energiefluss stellt - je nach Richtung - zu jedem Zeitpunkt eine Momentaufnahme der Leistungsaufnahme oder der Leistungsabgabe des Energiespeichers dar. Vorzugsweise kann durch ständige Messung des Energieflusses und unter Berücksichtigung bisher gemessener Werte des Energieflusses der zumindest eine Parameter des Energiespeichers bestimmt und laufend angepasst werden. In einer Ausführungsform können in einer Lernphase zu Beginn der Anwendung des Verfahrens, bevor der zumindest eine Parameter bestimmt oder endgültig bestimmt wird, die gemessenen Werte des Energieflusses über einen Zeitraum, beispielsweise zumindest eine oder mehrere Stunden, aufgezeichnet und abgespeichert werden. In dieser Lernphase kann auch eine angeschlossene Last aktiviert oder deaktiviert werden, um den Energiespeicher zum Laden bzw. Entladen "anzuregen". Der zumindest eine Parameter kann dann anschließend an die Lernphase auf Basis der abgespeicherten Werte bestimmt werden. Der zumindest eine Parameter kann selbstverständlich auch nach Abschluss der Lernphase auf Basis weiterer gemessener Werte des Energieflusses laufend angepasst oder neu bestimmt werden. Die ständige Ermittlung des Energieflusses kann zeitdiskret, d.h. in zeitlich regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen, erfolgen. Aus den gemessenen Werten des Energieflusses kann ein zeitlicher Verlauf, auch Energieverlauf bezeichnet, der in den Energiespeicher fließenden und aus dem Energiespeicher entnommenen Energie ermittelt werden. Der Energieverlauf kann aus dem Energiefluss insbesondere durch dessen zeitliche Integration ermittelt werden. Der Energieverlauf wird vorzugsweise gespeichert, sodass zu jedem vergangenen Zeitpunkt ein entsprechender Wert der Energie zur Verfügung steht. In einer Ausführungsform kann auf Basis dieses zeitlichen Verlaufs der zumindest eine Parameter bestimmt werden. Bei dem zumindest einen Parameter kann es sich beispielsweise um eine momentan im Energiespeicher enthaltene Energie, eine momentan mindestens verfügbare Kapazität des Energiespeichers, insbesondere eine momentan mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität, eine Nutzkapazität des Energiespeichers, einen Ladezustand des Energiespeichers, einen Eigenverbrauch des Energiespeichers, einen Lade- und Entladeverlust des Energiespeichers, einen Wirkungsgrad, einen Energiespeichermodellparameter oder einen Parameter einer Lade- oder Entladecharakteristik des Energiespeichers handeln. Unter Lade- oder Entladecharakteristik sind unter anderem die Ladeleistung und die Entladeleistung umfasst.
  • Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich auch mehrere der genannten Parameter bestimmt werden. Eine momentan mindestens verfügbare Kapazität des Energiespeichers ist eine Energiemenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt für Lade- oder Entladezwecke des Energiespeichers mindestens zur Verfügung steht. Die mindestens verfügbare Kapazität kann demnach, je nach Anwendung, eine Energiemenge sein, die mindestens in den Energiespeicher geladen oder diesem entnommen werden kann. Die mindestens verfügbare Kapazität kann demnach eine Ladekapazität oder eine Entladekapazität des Energiespeichers sein. Die Nutzkapazität eines Energiespeichers ist die maximale Energiemenge eines Energiespeichers, die auch tatsächlich zu Lade- und Entladezwecken genutzt werden kann. Die Nutzkapazität ist in der Regel geringer als die Nennkapazität des Energiespeichers, da nicht die gesamte Nennkapazität eines Energiespeichers genutzt werden kann. Die Nutzkapazität entspricht Summe aus Ladekapazität und Entladekapazität. Der Ladezustand des Energiespeichers, auch als SoC ("State of Charge") bezeichnet, kann z.B. in Prozent angegeben werden und stellt die momentan im Energiespeicher enthaltene Energiemenge bezogen auf dessen Nutzkapazität dar. Der zumindest eine Parameter, der bestimmt wird, muss nicht über die Zeit konstant sein, sondern kann auch variieren, wie etwa der Ladezustand. Der zumindest eine Parameter wird daher iterativ bestimmt. Iterativ bedeutet, dass der zumindest eine Parameter laufend neu bestimmt oder angepasst wird, und zwar auf Basis bisher erfasster und neu gemessener Werte des Energieflusses. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach jeder neuen Messung des Energieflusses der zumindest eine Parameter angepasst oder neu bestimmt wird. Die Messungen können, wie bereits erwähnt, zeitdiskret erfolgen, beispielsweise alle 1 bis 10 Sekunden. Natürlich sind auch kürzere oder längere Intervalle möglich. Durch die iterative Bestimmung des zumindest einen Parameters kann der durch das Verfahren bestimmte Wert des Parameters dem tatsächlichen Wert des Parameters im Laufe der Zeit angenähert werden. Der Energiespeicher kann aus mehreren Zellen oder Sub-Energiespeicher bestehen und beispielsweise auch einen integrierten Wechselrichter aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf Basis erfasster Werte des Energieflusses eine Nutzkapazität des Energiespeichers als Parameter bestimmt wird. Vorzugsweise wird aus den gemessenen Werten des Energieflusses ein zeitlicher Verlauf der in den Energiespeicher fließenden und aus dem Energiespeicher entnommenen Energie ermittelt, beispielsweise durch zeitliche Integration des Energieflusses. Dieser zeitliche Verlauf kann, wie oben bereits ausgeführt, auch als Energieverlauf bezeichnet werden. Aus dem Energieverlauf können ein vorzugsweise globales Minimum und ein vorzugsweise globales Maximum bestimmt werden. Durch Differenzbildung zwischen dem vorzugsweise globalen Maximum und dem vorzugsweise globalen Minimum kann die Nutzkapazität des Energiespeichers bestimmt werden. Die Maxima und Minima des Energieverlaufs können sich im Laufe der Zeit ändern. Dementsprechend können auch diese iterativ bestimmt werden und die Nutzkapazität des Energiespeichers entsprechend angepasst bzw. neu bestimmt werden. Je länger das Verfahren angewandt wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die globalen Maxima und Minima nicht mehr ändern und die ermittelte Nutzkapazität der tatsächlichen Nutzkapazität angenähert ist. Aus diesem Grund kann, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise eine Lernphase vorgesehen sein, in welcher der Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher aufgezeichnet wird. Die Lernphase kann beispielsweise für eine festgelegte Zeitdauer durchgeführt werden. Die Lernphase kann auch so lange dauern, bis sich das globale Maximum und das globale Minimum des Energieverlaufs für einen vorgegebenen Beobachtungszeitraum nicht mehr ändern. Das globale Maximum und das globale Minimum werden in der Lernphase laufend angepasst. Anfänglich entspricht das (einzige) Maximum dem globalen Maximum. Dieses wird gespeichert und falls ein neues Maximum das globale Maximum überschreitet, wird das globale Maximum gemäß diesem neuen Wert neu festgelegt. Gleiches gilt für das globale Minimum. Nach Beendigung der Lernphase steht das globale Maximum und das globale Minimum und damit die Nutzkapazität fest. Das Verfahren selbst kann jedoch nach Beendigung der Lernphase fortgesetzt werden, da sich andere Parameter, wie beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers, ändern können. Diese Änderungen werden durch das Verfahren erfasst.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auf Basis erfasster Werte des Energieflusses als Parameter eine momentan in dem Energiespeicher enthaltene Energie bestimmt. Die momentan im Energiespeicher enthaltene Energie kann, wie der Energieverlauf im Allgemeinen, beispielsweise durch zeitliche Integration des gemessenen Energieflusses in den oder aus dem Energiespeicher bestimmt werden. Es versteht sich von selbst, dass die Integration eines Anfangswerts bedarf, der beispielsweise zunächst bei Null liegen kann. Anschaulich gesprochen kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Energieverlauf, also der zeitliche Verlauf der in den Energiespeicher fließenden und aus dem Energiespeicher entnommenen Energie, bestimmt wird. Ein zeitlicher Endpunkt dieses Energieverlaufs stellt die momentan im Energiespeicher zur Verfügung stehende Energie dar, wobei der Endpunkt durch neu gemessene Werte des Energieflusses ständig verändert wird und zeitlich fortschreitet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zumindest eine Nutzkapazität und eine momentan im Energiespeicher enthaltene Energie bestimmt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf Basis der momentan in dem Energiespeicher enthaltenen Energie und der Nutzkapazität des Energiespeichers ein momentaner Ladezustand des Energiespeichers bestimmt wird. Der momentane Ladezustand des Energiespeichers kann bestimmt werden, indem die momentan im Energiespeicher enthaltene Energie in ein Verhältnis zur Nutzkapazität gesetzt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auf Basis erfasster Werte des Energieflusses als Parameter eine momentan mindestens verfügbare Kapazität des Energiespeichers bestimmt. Die mindestens verfügbare Kapazität kann eine mindestens verfügbare Ladekapazität oder eine mindestens verfügbare Entladekapazität sein. Aus dem oben beschriebenen Energieverlauf können ein vorzugsweise globales Minimum und/oder ein vorzugsweise globales Maximum bestimmt werden. Eine Differenz zwischen dem vorzugsweise globalen Minimum und der momentan im Energiespeicher enthaltenen Energie stellt eine momentan mindestens verfügbare Entladekapazität des Energiespeichers dar. Eine Differenz zwischen dem vorzugsweise globalen Maximum und der momentan im Energiespeicher enthaltenen Energie stellt eine momentan mindestens verfügbare Ladekapazität des Energiespeichers dar. Eine Entladekapazität bezeichnet eine Energiemenge, die dem Energiespeicher entnommen werden kann. Eine Ladekapazität bezeichnet eine Energiemenge, die in den Energiespeicher geladen werden kann.
  • Vorzugsweise wird zur Messung des Energieflusses in oder aus dem Energiespeicher ein elektrischer Strom in und aus dem Energiespeicher sowie eine elektrische Spannung am Energiespeicher gemessen. Das Produkt aus gemessenem Strom und gemessener Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt den Energiefluss zu diesem Zeitpunkt. Die Richtung des Stromes legt die Richtung des Energieflusses fest.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Energiequelle, beispielsweise eine Photovoltaikanlage oder ein Versorgungsnetz, elektrische Energie in Abhängigkeit des zumindest einen Parameters in den Energiespeicher speist. Wie oben ausgeführt, kann der zumindest eine Parameter beispielsweise ein Ladezustand oder eine momentan mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität des Energiespeichers sein. Wenn beispielsweise ausreichend Ladekapazität zur Verfügung steht, kann die Energiequelle elektrische Energie in den Energiespeicher laden. Es können auch mehrere Energiequellen vorhanden sein.
  • Vorzugsweise ist die zumindest eine Energiequelle ein elektrisches Versorgungsnetz, insbesondere ein Wechselstromnetz, oder eine Photovoltaikanlage.
  • Um den Energiespeicher noch umfassender zu analysieren, kann auch ein Energiefluss in die oder aus der zumindest einen Energiequelle gemessen und beispielsweise zur Bestimmung des zumindest einen Parameters des Energiespeichers herangezogen werden. Die Messung an der Energiequelle kann durch eine weitere Messeinheit, beispielsweise ein Smart Meter, erfolgen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Energiefluss an einem Einspeisepunkt der Energiequelle, insbesondere an einem Einspeisepunkt des Versorgungsnetzes oder der Photovoltaikanlage, gemessen wird. Wenn mehrere Energiequellen vorhanden sind, kann vorgesehen sein, dass der Energiefluss in sämtliche oder aus sämtlichen Energiequellen gemessen wird. Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise festgestellt werden, unter welchen Bedingungen der Energiespeicher aktiv wird und dabei Energie aufnimmt oder abgibt. Eine mögliche Bedingung, unter welcher der Energiespeicher Energie aufnimmt, kann beispielsweise vorliegen, wenn am Einspeisepunkt bzw. an den Einspeisepunkten der Energiequelle/n eine Überschussenergie bzw. Überschussleistung vorhanden ist, die vom Energiespeicher aufgenommen wird. Es wird also der Zeitpunkt, zu dem alle bekannten Komponenten des Systems versorgt sind und überschüssige Energie zum Einspeisen ins Netz vorhanden ist, erkannt. Wird diese Überschussenergie nun von der weiteren Messeinheit gemessen, ist der Energiespeicher ab diesem Zeitpunkt aktiv und nimmt die Überschussenergie auf. Die Kenntnis über die Bedingungen, unter welchen der Energiespeicher aktiv wird, ermöglicht oder erleichtert in weiterer Folge die Steuerung des Energiespeichers.
  • Die eingangs erwähnte Aufgabe wird weiters durch ein elektrisches System zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers nach Anspruch 10 gelöst.
  • Das Analysesystem ist dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren auszuführen, wenn es in ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem elektrischen Energiespeicher eingebunden ist. Hinsichtlich der Vorteile und Funktionsweise des Analysesystems wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Sämtliche Merkmale des Verfahrens sind auch auf das Analysesystem in entsprechender Weise übertragbar. Bei dem Analysesystem kann es sich um ein verteiltes System handeln. Die zumindest eine Messeinheit und die Auswerteeinheit können somit örtlich getrennt sein und beispielsweise über einen Server miteinander kommunizieren. Zwischen der zumindest einen Messeinheit und Auswerteeinheit kann jedenfalls ein Datenaustausch stattfinden. Die zumindest eine Messeinheit kann Messsensoren zum Erfassen von Strom und Spannung aufweisen. Die zumindest eine Messeinheit ist dazu eingerichtet, direkt oder indirekt den Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher zu erfassen. Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem, das folgendes aufweist:
    • zumindest einen elektrischen Verbraucher;
    • zumindest eine elektrische Energiequelle;
    • zumindest einen elektrischen Energiespeicher; und
    • ein elektrisches Analysesystem der oben beschriebenen Art, wobei der elektrische Verbraucher, die Energiequelle, der Energiespeicher und die zumindest eine Messeinheit des Analysesystems elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert, auf die sie allerdings nicht eingeschränkt sein soll. Darin zeigen:
    • Fig. 1A und Fig. 1B jeweils schematisch ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem elektrischen Energiespeicher;
    • Fig. 2 einen schematischen zeitlichen Verlauf der im Energiespeicher enthaltenen Energie; und
    • Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Fig. 1A und Fig. 1B zeigen beispielhaft unterschiedliche Varianten eines Energieversorgungssystems 1 mit einem elektrischen Energiespeicher 2, einem Wechselrichter 3, einem Verbraucher 4, einer ersten Energiequelle 5 in Form eines dreiphasigen Wechselstromnetzes 6 und einer zweiten Energiequelle 5 in Form einer Photovoltaikanlage 7, welche elektrisch entsprechend miteinander verbunden sind. Der Energiespeicher 2 kann innerhalb seines Gehäuses beispielsweise eine Steuerung, ein Managementsystem und eine Wandlereinheit 3' aufweisen.
  • Mit Hilfe zumindest einer Messeinheit 8, insbesondere einem Smart Meter 9, kann direkt oder indirekt ein elektrischer Energiefluss F in den oder aus dem elektrischen Energiespeicher 2 gemessen werden. Zu diesem Zweck werden von der zumindest einen Messeinheit 8 eine Spannung U und/oder ein Strom I gemessen. Daraus kann dann die elektrische Leistung bzw. der Energiefluss F in den oder aus dem Energiespeicher 2 bestimmt werden. Gegebenenfalls kann auch nur der Strom I gemessen werden, falls die Spannung U als konstant angenommen werden kann. Das Produkt der Spannung U und des Stromes I ergibt den Energiefluss F bzw. die Leistung oder eine hierfür repräsentative Größe, wobei die Richtung des Stromes I die Richtung des Energieflusses F vorgibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Messeinheiten 8 vorgesehen. Eine Messeinheit 8 ist in der Nähe des Energiespeichers 2 und eine weitere Messeinheit 8 an einem Einspeisepunkt 20 vorgesehen. Benötigt wird für das Verfahren jedoch nur zumindest eine Messeinheit 8, mit der der Energiefluss F in den oder aus dem Energiespeicher 2 bestimmt werden kann. Es können auch mehr als die dargestellten Messeinheiten 8 vorgesehen sein. Zwischen der Messeinheit 8 in der Nähe des Energiespeichers 2 und dem Energiespeicher 2 sind keine Verbraucher angeordnet. Die Messeinheit 8 in der Nähe des Energiespeichers 2 kann auch in den Energiespeicher 2 bzw. dessen Gehäuse integriert sein. Die gemessenen Werte des Energieflusses F können von den Messeinheiten 8 einer Auswerteeinheit 10, beispielsweise via Funk oder kabelgebunden, gegebenenfalls über einen Server, zur Verfügung gestellt werden. Die Auswerteeinheit 10 kann örtlich getrennt von den Messeinheiten 8 sein. Zumindest eine Messeinheit 8 und die Auswerteeinheit 10 bilden eine Minimalkonfiguration eines Analysesystems 21 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die gemessenen Werte der Messeinheit 8 am Einspeisepunkt 20 können genauso wie die gemessenen Werte, die durch die Messeinheit 8 in der Nähe des Energiespeichers 2 gemessen werden, an die Auswerteeinheit 10 übertragen und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Messeinheit 8 am Einspeisepunkt 20 kann beispielsweise festgestellt werden, unter welchen Bedingungen am Einspeisepunkt 20 der Energiespeicher 2 aktiv wird, d.h. Energie E aufnimmt oder abgibt. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn Überschussenergie am Einspeisepunkt 20 vorhanden ist. Mit diesen Kenntnissen kann das Energieversorgungssystem 1 effizienter gesteuert bzw. der Energiespeicher 2 in ein Energiemanagementkonzept eingebunden werden.
  • Fig. 1A und Fig. 1B zeigen jeweils unterschiedliche Varianten eines Energieversorgungssystems 1. In Fig. 1A ist der Energiespeicher 2 DC-seitig des Wechselrichters 3 angeschlossen. Dementsprechend wird der Energiespeicher 2 mit DC (engl. DC = "Direct Current") geladen bzw. entladen. Um unterschiedliche Spannungsniveaus auszugleichen, ist bevorzugt im Energiespeicher 2 bzw. in dessen Gehäuse eine Wandlereinheit 3', beispielsweise ein bidirektionaler DC/DC-Converter, integriert.
  • Fig. 1B zeigt eine alternative Konfiguration eines Energieversorgungssystems 1, wobei der Energiespeicher 2 AC-seitig des Wechselrichters 3 angeschlossen ist (engl. AC = "Alternating Current"). Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zu der Verschaltung aus Fig. 1A eingegangen. Im Energiespeicher 2 bzw. dessen Gehäuse kann eine Wandlereinheit 3' in Form eines Wechselrichters bzw. Inverters integriert sein, um den Energiespeicher 2 mit Gleichstrom zu laden oder entladen. Die Messeinheit 8 vor dem Energiespeicher 2 kann entfallen, wenn die Wandlereinheit 3` eine Schnittstelle zur Verfügung stellt, welche die Messwerte von Spannung U und Strom I zur Verfügung stellt.
  • Um die Lastflüsse in und aus dem Energiespeicher 2 zu steuern bzw. den Energiespeicher 2 bestmöglich in ein Energiemanagement einbinden zu können, sind Kenntnisse über dessen Betriebszustand notwendig. In der Regel werden Parameter P des Energiespeichers 2, wie eine Nutzkapazität Cnutz oder ein Ladezustand QSOC, durch den Energiespeicher 2 über eine Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt. Ein Datenaustausch ist jedoch meist nur zwischen Komponenten gleicher Hersteller möglich. Wenn jedoch der Energiespeicher 2 von einem anderen Hersteller als die übrigen Komponenten des Energieversorgungssystems 1 stammt, dann können die Parameter P des Energiespeichers 2 nur schwer oder gar nicht ausgelesen werden. Um den Betriebszustand eines Energiespeichers 2 eines fremden Herstellers eruieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Energiefluss F in den oder aus dem Energiespeicher 2 gemessen wird und iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen Energieflusses F zumindest ein Parameter P des Energiespeichers 2 bestimmt wird. Iterativ bedeutet, dass der zumindest eine Parameter P laufend neu bestimmt oder angepasst wird, und zwar auf Basis bisher erfasster und neu gemessener Werte des Energieflusses F. Es können auch mehrere Parameter P bestimmt werden. Beispiele für Parameter P sind der Ladezustand QSOC, eine Nutzkapazität Cnutz oder eine mindestens verfügbare Kapazität C des Energiespeichers 2. Ein weiteres Beispiel für den Parameter P ist auch der Wirkungsgrad. Die mindestens verfügbare Kapazität C kann eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Ladekapazität Clade oder eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Entladekapazität Centlade sein. In Fig. 1A und Fig. 1B wird aus Gründen der Übersicht nur Centlade als mindestens verfügbare Kapazität C dargestellt. Aber auch Clade bildet eine mindestens verfügbare Kapazität C. Die Summe aus der momentan mindestens zur Verfügung stehenden Ladekapazität Clade und der momentan mindestens zur Verfügung stehenden Entladekapazität Cent-lade ergibt die Nutzkapazität Cnutz. Eine Entladekapazität Centlade bezeichnet eine Energiemenge, die dem Energiespeicher 2 entnommen werden kann. Eine Ladekapazität Clade bezeichnet eine Energiemenge, die in den Energiespeicher 2 geladen werden kann. Im Folgenden wird beschrieben, wie die Parameter P des Energiespeichers 2 bestimmt werden können.
  • Aus den gemessenen Werten des Energieflusses F kann durch zeitliche Integration ein zeitlicher Verlauf der in den Energiespeicher 2 fließenden und aus dem Energiespeicher 2 entnommenen Energie E ermittelt werden. Der Verlauf der Energie E kann auch als zeitlicher Energieverlauf 11 bezeichnet werden. Der Energieverlauf 11 bildet die zu jedem Zeitpunkt im Energiespeicher 2 momentan enthaltene Energie E ab. Ein beispielhafter Energieverlauf 11 ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist erkennbar, dass aus dem Energiespeicher 2 im Laufe der Zeit t Energie E entnommen und zugeführt wird. Die Messung des Energieflusses F erfolgt laufend und in zeitdiskreter Weise. Erkennt die Messung eine Aktivität (der Energiespeicher 2 ist also aktiv) im Energiefluss F, beginnt zu einem Startzeitpunkt 12 die Aufzeichnung bzw. Übermittlung der Daten an die Auswerteeinheit 10. Anschließend wird, beispielsweise im Rahmen einer anfänglichen Lernphase, der Energiefluss F gemessen und aufgezeichnet. Durch weitere Messungen des Energieflusses F kann der Energieverlauf 11 fortgesetzt werden. Auf Basis des Energieflusses F bzw. aus dem Energieverlauf 11 können folgende Parameter P bestimmt werden:
    Aus dem globalen Maximum 13 und dem globalen Minimum 14 des Energieverlaufs 11 kann durch Differenzbildung eine aktuelle Nutzkapazität Cnutz des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Durch Messungen des Energieflusses F über einen längeren Zeitraum kann die aktuelle Nutzkapazität Cnutz der tatsächlichen Nutzkapazität des Energiespeichers 2 angenähert werden.
  • Aus dem globalen Maximum 13 und dem globalen Minimum 14 kann auch der Wirkungsgrad des Energieversorgungssystems 1 bzw. des Energiespeichers 2 bestimmt werden, basierend auf den Daten der Messeinheit 8. Somit resultiert im ersten Schritt ein erster Wert für den Wirkungsgrad. Über zeitliche Analysen kann eruiert werden, ob ständig ein neues globales Maximum 13 bzw. globales Minimum 14 entsteht. Die zeitliche Analyse kann beispielsweise mittels Annäherung durch eine Gerade erfolgen. Ergibt also die Analyse des linearen Trends, d.h. der Gerade, keine Steigung, ist der Wirkungsgrad korrekt bestimmt worden. Ist der Trend eine Steigung in positiver oder negativer Richtung, ist der Wirkungsgrad nicht korrekt bestimmt worden. Der Wirkungsgrad wird korrigiert. Entsteht ständig ein neues globales Minimum 14, war der vorherige Wert für den Wirkungsgrad zu niedrig, sprich die Batterie ist effizienter als zunächst angenommen. Der Wert für den Wirkungsgrad wird diesbezüglich korrigiert, also erhöht, sodass der Wert wieder zwischen 0% und 100% liegt. Wird jedoch ständig ein neues globales Maximum 13 erreicht, spricht das dafür, dass der vorherige Wert für den Wirkungsgrad zu hoch war, die Batterie ist in Wahrheit ineffizienter und mehr Energie geht während der Speicherung verloren, bis die Batterie tatsächlich voll ist. Der Wirkungsgrad muss diesbezüglich nach unten korrigiert werden, sodass der Wert wieder zwischen 0% und 100% liegt.
  • In einer Ausführungsform kann der Wirkungsgrad auch bestimmt werden, wenn bekannt ist, dass sich die Fremdbatterie, d.h. der Energiespeicher 2, durch Überschuss am Einspeisepunkt steuern lässt (Fremdbatterie regelt auf Nulleinspeisung). Dann kann durch bewusste Überschussgenerierung und Lastgenerierung (Einstellung an einem bekannten 2. Heimspeicher mittels Energiemanagement) die Fremdbatterie, also der Energiespeicher 2, zu kompletter Ladung und Entladung gebracht werden. Daraus kann dann ein Wirkungsgrad als Parameter berechnet werden.
  • In Fig. 2 ist nur ein Ausschnitt eines Energieverlaufs 11 dargestellt. Durch die Erfassung weiterer Messwerte des Energieflusses F kann der Energieverlauf 11 wie bereits erwähnt fortgesetzt werden. Dabei kann auch unter Umständen ein neues globales Maximum 13 bzw. globales Minimum 14 des Energieverlaufs 11 auftreten. Durch die erfindungsgemäße iterative Bestimmung der Parameter P wird eine allfällige Änderung des globalen Maximums 13 bzw. des globalen Minimums 14 erfasst und die aktuelle Nutzkapazität Cnutz angepasst bzw. neu bestimmt.
  • Der Energieverlauf 11 stellt die zu jedem Zeitpunkt im Energiespeicher 2 enthaltene Energie E dar. Um die momentan, d.h. zum aktuellen Endpunkt 15, im Energiespeicher 2 enthaltene Energie E zu bestimmen, können der Endpunkt 15 und das globale Minimum 14 des Energieverlaufs 11 herangezogen werden.
  • Aus dem Energieverlauf 11 kann auch eine mindestens verfügbare Kapazität C bestimmt werden. Die mindestens verfügbare Kapazität C kann eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Ladekapazität Clade oder eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Entladekapazität Centlade sein. Durch Ermittlung einer Differenz zwischen der momentan im Energiespeicher 2 enthaltenen Energie E und dem globalen Minimum 14 kann die momentan mindestens verfügbare Entladekapazität Centlade des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Die mindestens verfügbare Entladekapazität Centlade ist eine Energiemenge, die dem Energiespeicher 2 mindestens entnommen werden kann. Die mindestens verfügbare Entladekapazität Centlade kann der Energie E entsprechen. Wenn allerdings nicht die gesamte Energie E dem Energiespeicher 2 entnommen werden kann oder soll, können die Energie E und die mindestens verfügbare Entladekapazität Centlade voneinander abweichen. Durch Ermittlung einer Differenz zwischen der momentan im Energiespeicher 2 enthaltenen Energie E und dem globalen Maximum 13 kann eine momentan mindestens verfügbare Ladekapazität Clade des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Die mindestens verfügbare Ladekapazität Clade ist eine Energiemenge, die in den Energiespeicher 2 geladen werden kann.
  • Auf Basis der momentan im Energiespeicher 2 enthaltene Energie E und der Nutzkapazität Cnutz des Energiespeichers 2 kann zu jedem Zeitpunkt t ein momentaner Ladezustand QSOC des Energiespeichers 2 als Parameter bestimmt werden. Zur Bestimmung des momentanen Ladezustands QSOC kann ein Verhältnis der momentan im Energiespeicher 2 enthaltenen Energie E zur Nutzkapazität Cnutz gebildet werden und dieses Verhältnis beispielsweise in Prozent ausgedrückt werden.
  • In der Nutzkapazität Cnutz des Energiespeichers 2 kann auch eine Energiereserve für einen Notstrombetrieb enthalten sein. Anders ausgedrückt ist die Energiereserve ein Teil der mindestens verfügbaren Entladekapazität Centlade, der im Notstrombetrieb genutzt werden kann.
  • In Fig. 3 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für das gegenständliche Verfahren gezeigt, welches in der Auswerteeinheit 10 ausgeführt wird. Der zumindest eine Parameter P des Energiespeichers wird durch Ausführung der Schritte 101 bis 108 bestimmt. Die Schritte 101 bis 108 werden iterativ ausgeführt. In Schritt 101 wird der Ablauf gestartet. Durch ständige Ermittlung des Energieflusses F werden Messwerte zur Verfügung gestellt. In Schritt 102 wird anhand der Messwerte festgestellt, ob der Energiespeicher 2 geladen oder entladen wird und damit aktiv ist. Bei inaktivem Energiespeicher 2 wird zunächst gewartet (Schritt 103), bis der Energiespeicher 2 aktiv ist. Bei aktivem Energiespeicher 2 wird in Schritt 104 festgestellt, ob der Energiespeicher 2 geladen wird. Falls dem nicht so ist, wird festgestellt, ob der Energiespeicher 2 entladen wird (Schritt 105). Wenn der Energiespeicher 2 geladen oder entladen wird, wird der gemessene Energiefluss F in Schritt 106 aufgezeichnet und zusammen mit einem Zeitstempel zyklisch gespeichert (repräsentiert durch Block 107, der einen Datenspeicher darstellt). In Schritt 108 wird der zumindest eine Parameter P des Energiespeichers 2 wie oben beschrieben bestimmt. Der Ablauf beginnt anschließend wieder von vorne bei Schritt 101, um den zumindest einen Parameter P des Energiespeichers 2 aktuell zu halten. Aufgrund dieses gespeicherten Energieflusses kann beispielsweise eine Darstellung gemäß Fig. 2 produziert werden.
  • Vorzugsweise werden nur Messwerte des Energieflusses gespeichert bzw. zur Bestimmung des zumindest einen Parameters herangezogen, wenn der Energiespeicher 2 aktiv ist. Dadurch gibt es in der Auswertung bzw. in der Darstellung (vgl. Fig. 2) keine oder nur kurze konstante Linien der Energie E, sodass eine aussagekräftige Darstellung mit steigenden und fallenden Linien resultiert. Es kann auch ein Energiefluss F einer oder mehrere Energiequellen 5 berücksichtigt werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers (2), welcher ein Akkumulator oder eine Batterie ist, wobei der Energiespeicher (2) in einem elektrischen Energieversorgungssystem (1) eines Haushalts oder eines Gewerbebetriebs mit zumindest einem Verbraucher (4) und zumindest einer elektrischen Energiequelle (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Messeinheit (8), insbesondere eines Smart Meters (9), direkt oder indirekt ein elektrischer Energiefluss (F) in den oder aus dem Energiespeicher (2) gemessen wird und iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen Energieflusses (F) zumindest ein Parameter (P) des Energiespeichers (2) bestimmt wird, wobei der Energiefluss (F) die Einheit Energie pro Zeit besitzt und aus dem Energiefluss (F) durch dessen zeitliche Integration ein Energieverlauf (11) der in den Energiespeicher (2) fließenden und aus dem Energiespeicher (2) entnommenen Energie ermittelt wird, wobei der zumindest eine Parameter (P) auf Basis des Energieverlaufs (11) bestimmt wird, wobei es sich bei dem zumindest einen Parameter (P) um eine momentan im Energiespeicher (2) enthaltene Energie (E), eine momentan mindestens verfügbare Kapazität (C) des Energiespeichers (2), insbesondere eine momentan mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität (Clade), eine Nutzkapazität (Cnutz) des Energiespeichers (2), einen Ladezustand (Qsoc) des Energiespeichers (2), einen Eigenverbrauch des Energiespeichers, einen Wirkungsgrad, einen Energiespeichermodellparameter oder einen Parameter einer Lade- oder Entladecharakteristik des Energiespeichers (2) handelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Energieverlaufs (11) eine Nutzkapazität (Cnutz) des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Energieverlaufs (11) eine momentan in dem Energiespeicher (2) enthaltene Energie (E) als Parameter (P) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 in Rückbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der momentan in dem Energiespeicher (2) enthaltenen Energie (E) und der Nutzkapazität (Cnutz) des Energiespeichers (2) ein momentaner Ladezustand (Qsoc) des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Energieverlaufs (11) eine momentan mindestens verfügbare Kapazität (C), insbesondere eine mindestens verfügbare Ladekapazität (Clacc) oder eine mindestens verfügbare Entladekapazität (Cenzlade), des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Energieflusses (F) in oder aus dem Energiespeicher (2) ein elektrischer Strom (I) in und aus dem Energiespeicher (2) sowie eine elektrische Spannung (U) am Energiespeicher (2) gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Energiequelle (5) elektrische Energie in Abhängigkeit des zumindest einen Parameters (P) in den Energiespeicher (1) speist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Energiequelle (5) ein elektrisches Versorgungsnetz (6), insbesondere ein Wechselstromnetz, oder eine Photovoltaikanlage (7) ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Energiefluss (F) in die oder aus der zumindest einen Energiequelle (5) gemessen und beispielsweise zur Bestimmung des zumindest einen Parameters (P) des Energiespeichers (1) herangezogen wird.
  10. Elektrisches System (21) zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers (2), welcher ein Akkumulator oder eine Batterie ist und der in einem elektrischen Energieversorgungssystem (1) eines Haushalts oder eines Gewerbebetriebs mit zumindest einem Verbraucher (4) und zumindest einer elektrischen Energiequelle (5) elektrisch verbindbar ist, aufweisend:
    zumindest eine Messeinheit (8), insbesondere ein Smart Meter (9), zur Erfassung eines Energieflusses (F) in einen oder aus einem elektrischen Energiespeicher (2), insbesondere einem Akkumulator oder einer Batterie, wobei die Messeinheit (8) dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt den elektrischen Energiefluss (F) in den oder aus dem Energiespeicher (2) zu messen;
    eine Auswerteeinheit (10), welche dazu eingerichtet ist, iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen Energieflusses (F) zumindest einen Parameter (P) des Energiespeichers (2) zu bestimmen, wobei der Energiefluss (F) die Einheit Energie pro Zeit besitzt und das System (21) weiters dazu eingerichtet ist, aus dem Energiefluss (F) durch dessen zeitliche Integration einen Energieverlauf (11) der in den Energiespeicher (2) fließenden und aus dem Energiespeicher (2) entnommenen Energie zu ermitteln und den zumindest einen Parameter (P) auf Basis des Energieverlaufs (11) zu bestimmen, wobei es sich bei dem zumindest einen Parameter (P) um eine momentan im Energiespeicher (2) enthaltene Energie (E), eine momentan mindestens verfügbare Kapazität (C) des Energiespeichers (2), insbesondere eine momentan mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität (C_lade), eine Nutzkapazität (Cnuzz) des Energiespeichers (2), einen Ladezustand (Qsoc) des Energiespeichers (2), einen Eigenverbrauch des Energiespeichers, einen Wirkungsgrad, einen Energiespeichermodellparameter oder einen Parameter einer Lade- oder Entladecharakteristik des Energiespeichers (2) handelt.
  11. Energieversorgungssystem (1), aufweisend:
    zumindest einen elektrischen Verbraucher (4);
    zumindest eine elektrische Energiequelle (5);
    zumindest einen elektrischen Energiespeicher (2); und
    ein elektrisches Analysesystem (21) nach Anspruch 10, wobei der elektrische Verbraucher (4), die Energiequelle (5), der Energiespeicher (2) und die zumindest eine Messeinheit (8) des Analysesystems (21) elektrisch miteinander verbunden sind und die Messeinheit (8) zur Erfassung des Energieflusses (F) in den und/oder aus dem Energiespeicher (2) eingerichtet ist.
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